KR20160006918A - 지연 신호를 이용한 방사선 계수 방법 및 이를 이용한 방사선 판독 회로 - Google Patents

Abstract

본 발명은 지연 신호를 이용한 방사선 계수 방법 및 이를 이용한 방사선 판독 회로에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 센서에 입사되는 방사선에 의해 생성되는 전자-정공 쌍에 의한 전하를 방사선 판독 회로(readout integrated circuit, ROIC)를 통해 판독하여 입사된 방사선을 계수하는 방법에 있어서, 센서로부터 출력된 전기신호를 전치 증폭기를 통해 전압 신호로 출력하고, 출력된 전압 신호를 비교기를 통해 기준 전압과 비교하여, 계수기를 통해 출력 신호를 카운팅하는 기존의 판독 회로에서, 상기 전치 증폭기의 출력단에 신호 지연을 위한 버퍼를 구비하여, 전치 증폭기에서 출력되는 신호값과, 버퍼를 통해 일정 시간 지연(delay)되어 출력되는 신호값을 비교기를 통해 비교하여 입사된 방사선을 계수하도록 구성함으로써, 먼저 입사된 방사선에 대한 신호 처리가 미처 끝나기 전에 곧바로 입사되는 후속 방사선에 따라 신호값이 파일-업(pile-up)되는 신호 중첩 현상에 따른 방사선 계수 손실을 방지하여, 방사선의 검출 효율을 높일 수 있는 지연 신호를 이용한 방사선 계수 방법 및 이를 이용한 방사선 판독 회로에 관한 것이다.

Description

지연 신호를 이용한 방사선 계수 방법 및 이를 이용한 방사선 판독 회로{A method for counting the number of incident radiation using delayed signal and the radiation readout integrated circuit(ROIC) using the same}

본 발명은 지연 신호를 이용한 방사선 계수 방법 및 이를 이용한 방사선 판독 회로에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 센서에 입사되는 방사선에 의해 생성되는 전자-정공 쌍에 의한 전하를 방사선 판독 회로(readout integrated circuit, ROIC)를 통해 판독하여 입사된 방사선을 계수하는 방법에 있어서, 센서로부터 출력된 전기신호를 전치 증폭기를 통해 전압 신호로 출력하고, 출력된 전압 신호를 비교기를 통해 기준 전압과 비교하여, 계수기를 통해 출력 신호를 카운팅하는 기존의 판독 회로에서, 상기 전치 증폭기의 출력단에 신호 지연을 위한 버퍼를 구비하여, 전치 증폭기에서 출력되는 신호값과, 버퍼를 통해 일정 시간 지연(delay)되어 출력되는 신호값을 비교기를 통해 비교하여 입사된 방사선을 계수하도록 구성함으로써, 먼저 입사된 방사선에 대한 신호 처리가 미처 끝나기 전에 곧바로 입사되는 후속 방사선에 따라 신호값이 파일-업(pile-up)되는 신호 중첩 현상에 따른 방사선 계수 손실을 방지하여, 방사선의 검출 효율을 높일 수 있는 지연 신호를 이용한 방사선 계수 방법 및 이를 이용한 방사선 판독 회로에 관한 것이다.

일반적으로 하이브리드 픽셀 검출기나 핵의학 영상 센서 등에 적용되는 방사선 판독 회로(readout integrated circuit, ROIC)는 방사선이 입사되면 포토다이오드에서 발생하는 전하를 전압 신호로 변환 및 증폭하여 디지털 데이터 형태로 출력하는 회로이다.

이러한 방사선 판독 회로(10)의 일 예로는, 한국등록특허 제1220883호에 나타난 독출 회로를 들 수 있으며, 이는 도 1에 도시된 바와 같이, 입사되는 방사선에 의해 포토다이오드에서 생성되어 들어오는 전하를 전치 증폭기(11)를 통해 그에 비례하는 전압 신호로 출력하고, 출력된 전압 신호를 비교기(13)를 통해 미리 설정된 기준 전압(12)과 비교하여, 계수기(14)를 통해 비교기에서 출력되는 출력 신호를 카운팅함으로써 방사선 방사선를 계수한다.

한편, 상술한 바와 같이 판독 회로에서 센서로부터 입사되는 방사선을 신호 처리하는데 있어서는 일정한 처리 시간이 필수적으로 소요되는 바, 이때 앞서 들어온 방사선의 신호를 처리하는 시간 동안에 후속 방사선이 바로 입사되면, 이전에 들어온 방사선의 신호가 미처 완전히 처리되기 전에 새로운 방사선의 신호가 다시 생성되어, 결국 이들 신호가 서로 중복되는 신호 중첩 현상 즉, 파일 업(pile-up) 현상이 발생한다.

특히, 일정한 규칙성 없이 무작위 간격으로 입사되는 방사선의 특성 상, 도 2에 도시된 바와 같이, 일정 시간 이내에 다수의 방사선이 입사되되, 두번째 및 세번째의 방사선이 상당히 짧은 시간 간격으로 입사하게 되면, 먼저 입사된 두번째 방사선의 신호가 증폭기를 통해 온전한 펄스 파형으로 채 출력되기 이전에, 세번째 방사선에 의한 또 다른 펄스 파형이 중첩되어, 결국 두 개의 펄스 신호가 중복되는 펄스 파일 업(pulse pile-up) 현상이 발생하게 된다.

이때, 상술한 바와 같은 기존의 판독 회로에서는 증폭기에서 출력된 신호를 비교기를 통해 기준 전압과 단순 비교하고 있으며, 이러한 경우 도 2에 나타나는 바와 같이, 파일 업(pile-up)된 신호값이 계속 기준 전압을 상회하는 상태로 유지되어, 그 결과 세번째 입사된 방사선 신호가 기준 전압과의 비교에서 누락되어 방사선 신호 검출에 왜곡이 발생하는 문제점이 있다.

또한, 상술한 도 2에서는 하나의 기준 전압과의 비교예 만을 보여주고 있으나, 통상의 X-선 영상기기에서는 입사되는 방사선의 에너지 레벨에 따른 계수를 위해 1 ~ 5개의 다수개의 기준 전압을 설정하여 비교하고 있는데, 이 경우에도 여전히 상술한 도 2에서와 같은 신호값의 파일-업(pile-up) 현상에 따른 신호 왜곡의 문제가 존재한다.

한국등록특허 제10-1220883호(이득의 조정이 가능한 엑스선 독출 방법, 독출 회로와 이를 이용한 엑스선 센서 : 2013.01.04.)

본 발명은 상기한 종래기술에 따른 문제점을 해결하기 위한 것이다. 즉, 본 발명의 목적은 센서에 입사되는 방사선에 의해 생성되는 전자-정공 쌍에 의한 전하를 방사선 판독 회로(readout integrated circuit, ROIC)를 통해 판독하여 입사된 방사선을 계수하는 방법에 있어서, 센서로부터 출력된 전기신호를 전치 증폭기를 통해 전압 신호로 출력하고, 출력된 전압 신호를 비교기를 통해 기준 전압과 비교하여, 계수기를 통해 출력 신호를 카운팅하는 기존의 판독 회로에서, 상기 전치 증폭기의 출력단에 신호 지연을 위한 버퍼를 구비하여, 전치 증폭기에서 출력되는 신호값과, 버퍼를 통해 일정 시간 지연(delay)되어 출력되는 신호값을 비교기를 통해 비교하여 입사된 방사선을 계수하도록 구성함으로써, 먼저 입사된 방사선에 대한 신호 처리가 미처 끝나기 전에 곧바로 입사되는 후속 방사선에 따라 신호값이 파일-업(pile-up)되는 신호 중첩 현상에 따른 방사선 계수 손실을 방지하여, 방사선의 검출 효율을 높일 수 있는 데에 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 기술적 사상으로서의 본 발명은, 방사선 센서에 구비되어 센서 소자로부터 입력되는 전기 신호를 통해 입사된 방사선을 계수하는 방사선 판독 회로(readout integrated circuit, ROIC)에 적용되는 방사선 계수 방법에 있어서, 입력된 전기 신호를 전치 증폭기를 통해 전압신호로 변환하여 출력하고, 상기 전치 증폭기로부터 출력되는 전압신호를 버퍼를 통해 다시 일정 시간 지연시켜 출력하여, 상기 전치 증폭기로부터의 출력 신호와 상기 버퍼로부터의 지연된 출력 신호를 비교기를 통해 비교함으로써 입사된 방사선을 계수하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 지연 신호를 이용한 방사선 계수 방법 및 이를 이용한 방사선 판독 회로는 센서로부터 출력된 전기신호를 전치 증폭기를 통해 전압 신호로 출력하고, 출력된 전압 신호를 비교기를 통해 기준 전압과 비교하여, 계수기를 통해 출력 신호를 카운팅하는 기존의 판독 회로에서, 상기 전치 증폭기의 출력단에 신호 지연을 위한 버퍼를 구비하여, 전치 증폭기에서 출력되는 신호값과, 버퍼를 통해 일정 시간 지연(delay)되어 출력되는 신호값을 비교기를 통해 비교하여 입사된 방사선을 계수하도록 구성함으로써, 먼저 입사된 방사선에 대한 신호 처리가 미처 끝나기 전에 곧바로 입사되는 후속 방사선에 따라 신호값이 파일-업(pile-up)되는 신호 중첩 현상에 따른 방사선 계수 손실을 방지하여, 방사선의 검출 효율을 높일 수 있는 효과가 있다.

또한, 이를 통해 방사선 판독 회로가 사용되는 CT나 PET 등의 핵의학 영상기기에서 얻어지는 영상의 화질을 효과적으로 개선할 수 있다는 장점이 있다.

도 1은 종래의 방사선 판독 회로를 보여주는 도면.
도 2는 종래의 방사선 판독 회로에서 나타나는 신호 중첩(pile up) 현상을 설명하기 위한 도면.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 방사선 판독 회로의 구성을 설명하기 위한 도면.
도 4는 도 3에 도시된 방사선 판독 회로에서 전치 증폭기와 버퍼의 출력단에서 출력되는 각각의 신호를 보여주는 도면.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 방사선 판독 회로를 통해 처리되는 신호 파형을 보여주는 도면.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 지연 신호를 이용한 방사선 계수 방법을 설명하기 위한 도면.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면에 의거하여 상세하게 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 방사선 판독 회로(readout integrated circuit, ROIC)(100)의 구성을 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 도 3에 도시된 방사선 판독 회로에서 전치 증폭기와 버퍼의 출력단에서 출력되는 각각의 신호를 보여주는 도면이며, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 방사선 판독 회로를 통해 처리되는 신호 파형을 보여주는 도면이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 방사선 판독 회로(100)는 방사선을 입사받는 센서(미도시)와 범프 본딩(bump bonding) 등을 통해 연결되며, 전치 증폭기(110), 버퍼(120), 비교기(130) 및 계수기(140)를 포함하여 구성된다.

전치 증폭기(preamplifier)(110)는 방사선 센서에 연결되며, 입사되는 방사선에 의해 센서에서 생성되는 전기신호를 입력받아, 입력된 전기신호를 전압 신호로 변환하는 역할을 수행한다.

버퍼(buffer)(120)는 전치 증폭기(110)의 출력단에 연결되어, 도 4에 도시된 바와 같이, 전치 증폭기(110)를 통해 출력된 신호를 미리 설정된 일정 시간(지연시간, Td)) 만큼 지연(delay)시키는 역할을 수행한다.

이때, 버퍼(120)에서 출력되는 신호의 지연 시간은 판독 회로가 적용되는 대상 센서의 사양이나 사용 환경 등에 따라 다양한 범위로 설정될 수 있으며, 바람직하게는 1ns ~ 5ns 범위에서 설정하는 것이 좋다.

비교기(comparator)(130)는 전치 증폭기(110) 및 버퍼(120)의 출력단과 각각 연결되어, 전치 증폭기(110)의 출력 신호와 버퍼(120)의 출력 신호를 입력받아, 입력된 두 신호를 비교하는 역할을 수행한다.

이때, 비교기(130)는 전치 증폭기(110)에서 출력된 신호값이 버퍼(120)를 통해 지연(delay)된 신호값 보다 크면 '0(low)'을 출력하고, 전치 증폭기(110)에서 출력된 신호값이 버퍼(120)를 통해 지연(delay)된 신호값 보다 작으면 '1(high)'을 출력하도록 구성된다.

즉, 비교기(130)는 도 5에 도시된 바와 같이, 전치 증폭기(110)의 출력신호(30)와, 버퍼(120)를 통해 지연(delay)된 출력신호(40)가 입력되면, 입력된 두 신호를 비교하여 전치 증폭기(110)의 출력신호(30)가 버퍼(120)의 출력신호(40)보다 커지면 '0(low)'을 출력하고, 전치 증폭기(110)의 출력신호(30)가 버퍼(120)의 출력신호(40)보다 작아지면 '1(high)'을 출력하게 된다.

다시 말해서, 상술한 바와 같은 본 발명에서의 비교기의 신호 비교 방식은, 기존의 비교기에서와는 달리, 입사된 방사선의 신호를 미리 설정된 기준 전압과 단순히 비교하는 것이 아니라, 입사되는 방사선 신호에 따른 신호값의 변화를 연속적으로 추적하면서 이를 지연된 신호값과 비교하여 신호값의 변화 상태와 시점을 정확하게 추출함으로써, 종래의 검출 회로에서 발생되는 신호값의 파일 업(pile-up)에 의한 신호 검출의 누락을 방지할 수 있다.

한편, 계수기(counter)(140)는 비교기(120)의 출력단에 연결되어, 비교기(120)를 통해 출력되는 펄스 신호를 카운팅하여, 입사된 방사선의 갯수을 계수하는 역할을 수행한다.

상술한 바와 같은 구성을 통해, 본 발명에 따른 방사선 판독 회로(100)는 방사선 센서에 다수개의 방사선이 불특정 간격으로 무작위로 입사하는 경우에도, 신호 중첩(pile-up)에 의한 검출 누락을 방지함으로써, 입사된 방사선 신호를 효과적으로 비교, 검출하여 입사된 방사선의 검출 효율을 높일 수 있다.

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 지연 신호를 이용한 방사선 계수 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 지연 신호를 이용한 방사선 계수 방법은 방사선의 입사에 의해 센서로부터 전기신호가 입력되면, 입력된 전기신호를 전치 증폭기를 통해 전압 신호로 변환(S100)하여 출력한다.

이후, 증폭기의 출력단에 연결된 버퍼를 통해 증폭기에서 출력된 신호를 미리 설정된 일정 시간 만큼 지연(S110)시켜 출력한다.

이때, 전치 증폭기의 출력단과 버퍼의 출력단은 비교기의 입력단에 각각 연결되어 있으며, 이에 따라, 전치 증폭기의 출력 신호와 버퍼를 통해 일정 시간 지연된 신호는 상기 비교기의 입력단으로 입력된다.

여기서, 버퍼에서 출력되는 신호의 지연 시간은 판독 회로가 적용되는 대상 센서의 사양이나 사용 환경 등에 따라 다양한 범위로 설정될 수 있으며, 바람직하게는 1ns ~ 5ns 범위에서 설정하는 것이 좋다.

이렇게 전치 증폭기의 출력 신호와 버퍼의 출력 신호가 비교기에 입력되면, 비교기에서는 입력된 전치 증폭기의 출력 신호값과 버퍼를 통해 일정 시간 지연된 신호값을 비교(S120)한다.

이때, 비교기는 전치 증폭기의 출력 신호값이 버퍼의 출력 신호값보다 크면 '0(low)'을 출력하고, 전치 증폭기의 출력 신호값이 버퍼의 출력 신호값보다 작으면 '1(high)'을 출력(S130)한다.

이러한 비교 방식을 통해, 본 발명에서는 입사된 방사선의 신호를 미리 설정된 기준 전압과 단순히 비교하는 것이 아니라, 입사되는 방사선 신호에 따른 신호값의 변화를 연속적으로 추적하면서 이를 지연된 신호값과 비교하여 신호값의 변화 상태와 시점을 정확하게 추출함으로써, 종래의 검출 회로에서 발생되는 신호값의 파일 업(pile-up)에 의한 신호 검출의 누락을 방지할 수 있게 된다.

이렇게 비교기를 통해 방사선 신호가 '0(low)' 또는 '1(high)'의 펄스 신호로 처리되어 출력되면, 방사선 판독 회로는 계수기를 통해 출력되는 신호를 카운팅(S140)하여 입사되는 방사선을 계수한다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 지연 신호를 이용한 방사선 계수 방법 및 이를 이용한 방사선 판독 회로는 센서로부터 출력된 전기신호를 전치 증폭기를 통해 전압 신호로 출력하고, 출력된 전압 신호를 비교기를 통해 기준 전압과 비교하여, 계수기를 통해 출력 신호를 카운팅하는 기존의 판독 회로에서, 상기 전치 증폭기의 출력단에 신호 지연을 위한 버퍼를 구비하여, 전치 증폭기에서 출력되는 신호값과, 버퍼를 통해 일정 시간 지연(delay)되어 출력되는 신호값을 비교기를 통해 비교하여 입사된 방사선을 계수하도록 구성함으로써, 먼저 입사된 방사선에 대한 신호 처리가 미처 끝나기 전에 곧바로 입사되는 후속 방사선에 따라 신호값이 파일-업(pile-up)되는 신호 중첩 현상에 따른 방사선 계수 손실을 방지하여, 방사선의 검출 효율을 높일 수 있다.

또한, 이를 통해 방사선 판독 회로가 사용되는 CT나 PET 등의 핵의학 영상기기에서 얻어지는 영상의 화질을 효과적으로 개선할 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백하다 할 것이다.

10, 100 : 방사선 판독 회로 11, 110 : 증폭기
12 : 기준전압 120 : 버퍼
13, 130 : 비교기 14, 140 : 계수기
30 : 전치증폭기 출력신호 40 : 버퍼 출력신호

Claims (6)

1. 방사선 센서에 구비되어 센서 소자로부터 입력되는 전기 신호를 통해 입사된 방사선을 계수하는 방사선 판독 회로(readout integrated circuit, ROIC)에 적용되는 방사선 계수 방법에 있어서,
   입력된 전기 신호를 전치 증폭기를 통해 전압신호로 변환하여 출력하고,
   상기 전치 증폭기로부터 출력되는 전압신호를 버퍼를 통해 다시 일정 시간 지연시켜 출력하여,
   상기 전치 증폭기로부터의 출력 신호와 상기 버퍼로부터의 지연된 출력 신호를 비교기를 통해 비교함으로써 입사된 방사선을 계수하는 것을 특징으로 하는 지연 신호를 이용한 방사선 계수 방법.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 비교기를 통해 상기 전치 증폭기로부터의 출력 신호와 상기 버퍼로부터의 지연된 출력 신호를 비교함에 있어서는,
   상기 전치 증폭기로부터의 출력 신호값이 상기 버퍼로부터의 지연된 출력 신호값 보다 크면 '0(low)', 작으면 1'(high)'을 출력하는 것을 특징으로 하는 지연 신호를 이용한 방사선 계수 방법.
3. 제 2항에 있어서,
   상기 비교기의 비교 출력 값은 계수기를 통해 카운팅되는 것을 특징으로 하는 지연 신호를 이용한 방사선 계수 방법.
4. 제 1항에 있어서,
   상기 버퍼에서는,
   상기 전치 증폭기로부터 출력되는 전압신호를 1ns ~ 5ns의 범위에서 지연시켜 출력하는 것을 특징으로 하는 지연 신호를 이용한 방사선 계수 방법.
5. 방사선 센서에 구비되어 센서 소자로부터 입력되는 전기 신호를 통해 입사된 방사선을 계수하는 방사선 판독 회로(readout integrated circuit, ROIC)에 있어서,
   상기 센서 소자로부터 입력되는 전기 신호를 전압 신호로 변환하여 출력하는 전치 증폭기;
   상기 전치 증폭기의 출력단에 연결되어, 상기 전치 증폭기로부터 출력되는 전압신호를 일정 시간 지연시켜 출력하는 버퍼;
   상기 전치 증폭기 및 버퍼의 출력단에 각각 연결되어, 상기 전치 증폭기로부터의 출력 신호와 상기 버퍼로부터의 지연된 출력 신호를 비교하는 비교기; 및
   상기 비교기를 통해 출력되는 출력 신호를 카운팅하는 계수기;
   로 구성되는 것을 특징으로 하는 방사선 판독 회로.
6. 제 5항에 있어서,
   상기 비교기는,
   상기 전치 증폭기로부터의 출력 신호값이 상기 버퍼로부터의 지연된 출력 신호값 보다 크면 '0(low)', 작으면 1'(high)'을 출력하는 것을 특징으로 하는 방사선 판독 회로.
   

Images